注射壓縮成型技術(shù)在塑料光學透鏡生產(chǎn)中的應用

陳燕春 何文翰 區(qū)仲榮

(①廣東機電職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州510515;②廣州鐳迪機電有限公司，廣東廣州511430)

隨著信息及多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，用于相機、CD、VCD、DVD、MD及 MO等的光學讀取頭(Pickup lens)——塑料光學透鏡的需求量非常大。但調(diào)研資料表明:要對高精度塑料光學透鏡進行產(chǎn)品化時，難度差異很大。目前國內(nèi)技術(shù)水平停留在生產(chǎn)如玩具照相機、玩具望遠鏡、低檔傻瓜相機鏡頭等一些低附加值的塑料光學透鏡的基礎(chǔ)上。一些高附加值的塑料光學透鏡，像數(shù)碼相機、VCD、DVD中激光頭的Pickup lens由于涉及高精成型技術(shù)難題，國內(nèi)很少廠家能夠掌握，都是以進口零部件，在國內(nèi)組裝為多。因此，我國的高精度塑料光學透鏡注塑模具制造業(yè)的設(shè)計、制造還處于起步階段。

高精度的塑料光學透鏡對制品的透光率、光軸同軸度、面形精度和折射率要求非常高。但在透鏡的注塑過程中，由于塑料收縮率的存在，通常會引起制品面形收縮，產(chǎn)生內(nèi)應力，達不到尺寸精度和使用要求。為了獲得符合使用要求的高精度光學制品，人們發(fā)明了注射壓縮成型技術(shù)，可以生產(chǎn)面型精度差小于λ/20甚至λ/40的塑料透鏡，滿足光學透鏡要求。但由于國外技術(shù)封鎖和國內(nèi)企業(yè)視之為技術(shù)秘密，國內(nèi)很多文獻和書籍都只是原理性介紹該技術(shù)，關(guān)于其具體的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計目前少有報道和發(fā)表。為此，本文研究和開發(fā)了用于生產(chǎn)高精度塑料光學透鏡的注射壓縮的結(jié)構(gòu)，并做相關(guān)實驗考察該結(jié)構(gòu)是否能夠達到設(shè)計和制造的要求以及滿足實際生產(chǎn)需要。

1 傳統(tǒng)的注射成型技術(shù)

傳統(tǒng)注塑模具中，模芯、鑲套都固定在模板上，并選擇動、定模的接合面作為分型面，如圖1所示。一般情況下，在光學塑料流體完全填滿型腔后，需要對成型中的塑料進行保壓，以求減小塑料冷卻收縮的影響。但由于澆口尺寸較小，澆口位置的塑料要比流道與型腔內(nèi)的塑料較快凝固，壓力不能傳遞到型腔，因此傳統(tǒng)注塑技術(shù)所注塑出來的透鏡面形精度通常達不到要求，而且會由于塑料收縮而產(chǎn)生內(nèi)應力。另一方面，分型面的間隙如果控制得不好，會引起許多如飛邊、填充不滿、焦燒、氣痕和銀紋等問題。

2 注射壓縮成型技術(shù)原理

注射壓縮成型技術(shù)又稱為兩步成型法，是一個較為特殊的保壓控制成型法。在合模過程中，動靜模留有一定的空隙，間隙的大小視注射件而變化，從1 mm到20 mm不等。此時將一定體積的光學塑料完全注入型腔后，型腔內(nèi)充滿的塑料由于冷卻而產(chǎn)生體積收縮，然后閉緊模具，從外部加一個強制的力使模具的尺寸變小，而使收縮的部分得到補償，從而得到所要求的尺寸和精度。注射壓縮成型法的關(guān)鍵技術(shù)是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫度、壓力的控制。該技術(shù)按壓縮形式分為兩種方法:全面收縮法和模芯收縮法，如圖2所示［1］。

注射壓縮成型技術(shù)包括全面壓縮成型技術(shù)和模芯壓縮成型技術(shù)。相對來說，模芯壓縮法比全面壓縮法更有利于保壓的壓力控制與型腔內(nèi)殘余氣體的排出，因此本文選擇了模芯壓縮成型技術(shù)。在模芯壓縮機構(gòu)的設(shè)計上，要解決的主要問題是如何實現(xiàn)型腔的壓縮和型腔內(nèi)殘余氣體的排出。

3 模芯壓縮機構(gòu)的設(shè)計與實驗

3.1 模芯壓縮機構(gòu)設(shè)計

本文所采用的模芯壓縮機構(gòu)如圖3所示。

在生產(chǎn)過程中，光學塑料填滿型腔后的一段時間內(nèi)，注塑機對動模模芯的壓力從零增加到預定值。這一過程中，型腔內(nèi)的塑料受壓而產(chǎn)生逆流，但此時澆口處的塑料由于尺寸較小已經(jīng)成凝固態(tài)，這對型腔內(nèi)的光學塑料的保壓和成型十分有利，光學塑料能更貼緊型腔，有利于提高制品的面形精度，同時也減小因塑料收縮引起的內(nèi)應力，降低制品的雙折射。

為了考察采用模芯壓縮成形技術(shù)后，制品的面形精度、內(nèi)應力和表面品質(zhì)是否得到改善，我們分別用傳統(tǒng)注塑技術(shù)的模具和采用了模芯壓縮成型技術(shù)的模具分別進行注塑以做對比。

3.2 實驗

實驗1:考察采用模芯壓縮成型技術(shù)前后的面形精度。在接觸式粗糙度儀上測量分別采用這兩種技術(shù)的模具所注塑制品的面形輪廓可以看出，傳統(tǒng)注塑技術(shù)所注塑制品的實際面形與理想面形相差0.013 mm，而采用模芯壓縮成型技術(shù)所注塑出來的制品實際面形與理想面形則相差0.002 mm，透鏡制品的面形精度明顯提高，是前者的15.4%。

實際生產(chǎn)中，首先在理論上根據(jù)制品的收縮率來計算型腔尺寸［2，3］，此外還普遍采用成型后測量變形的補償方法來提高透鏡的面形精度。本文也通過修改型腔的尺寸、試模、再修改型腔尺寸和再試模等多次重復修改，以進一步提高透鏡的面形精度。通過采用模芯壓縮技術(shù)和反復修改型腔，能使透鏡制品的面形精度達到光學設(shè)計的要求。

采用模芯壓縮技術(shù)后，不僅可以提高制品的面形精度，也可以減小制品的內(nèi)應力，從而降低雙折射，提高光學透鏡的成像質(zhì)量。下面將通過實驗來說明。

實驗2:考察采用模芯壓縮成型技術(shù)前后的內(nèi)應力。本文分別使用了傳統(tǒng)注塑技術(shù)與模芯壓縮成型法，且在其最佳的工藝參數(shù)下注塑透鏡，并在偏光片下檢測其內(nèi)應力，如圖4所示。圖4a中，采用了傳統(tǒng)注塑技術(shù)的透鏡，其中部(較黑處)的內(nèi)應力小，而發(fā)亮部分則內(nèi)應力大，且有的部位略呈彩色(內(nèi)應力集中更為嚴重，把白光分解)，嚴重影響了成像質(zhì)量和信息密度，因此不能用于對非球面透鏡有高精度要求的光學系統(tǒng)中。而圖4b中采用模芯壓縮成型技術(shù)注塑的透鏡的內(nèi)應力很小，幾乎沒有，而且分布均勻，說明模芯壓縮成型技術(shù)能大大減小透鏡的內(nèi)應力。

另一方面，光學塑料制品的分型面一般選擇在動模板和定模板的接合面，如圖2所示。在光學塑料流體填充型腔時，型腔內(nèi)的氣體將通過分型面的間隙排出。如果間隙太大，則容易產(chǎn)生飛邊等不良影響;間隙太小則往往造成制品燒傷、填充不滿等現(xiàn)象。而本文所采用的“無間隙滾動導向機構(gòu)”能夠解決這個問題。在模具設(shè)計與制造中，動模模芯5與動模鑲套之間采用了間隙配合，如圖3。在注塑時，型腔內(nèi)殘余氣體可同時通過該間隙和分型面的間隙排出型腔。由于設(shè)計的間隙小于光學塑料的溢邊值，而且增加了排氣通道，不會造成飛邊或填充不滿等現(xiàn)象。而且，排氣方式不同也會對制品的質(zhì)量產(chǎn)生影響。以下本文通過實驗來考察采用該機構(gòu)前后的排氣效果。

實驗3:考察采用模芯壓縮成型技術(shù)前后的排氣效果。為了方便考察傳統(tǒng)注塑技術(shù)與模芯壓縮成型技術(shù)的排氣性能，實驗中控制進入型腔的塑料量約為型腔體積的一半，觀察其注射成型的過程。圖5a是采用傳統(tǒng)注塑技術(shù)的制品，從圖中看到，塑料從透鏡兩邊的邊緣填充型腔，如果實際生產(chǎn)中光學塑料全部填滿型腔，其制品會產(chǎn)生熔接線，熔接線的位置不僅影響外觀質(zhì)量，而且是應力集中之處，在使用過程中，很容易發(fā)生應力開裂，對于成型質(zhì)量影響很大［4］;而圖5b采用了模芯壓縮成型技術(shù)注塑，光學塑料則會均勻地填充型腔，從其注塑效果看，模芯壓縮成型技術(shù)注塑使以往成型技術(shù)無法制造的超薄型透鏡的成型成為可能。另外，采用模芯壓縮成型技術(shù)后，制品很少產(chǎn)生飛邊、燒傷和填充不足等不良現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。

4 結(jié)語

高精度塑料光學透鏡的模具技術(shù)已經(jīng)成為我國在光學產(chǎn)品領(lǐng)域研發(fā)、生產(chǎn)和發(fā)展的核心問題之一。本文從滿足光學塑料透鏡使用要求的角度出發(fā)，實驗研究與探討了高精度塑料光學透鏡分別采用傳統(tǒng)注塑技術(shù)和模芯壓縮技術(shù)制造的光學透鏡的面形精度、內(nèi)應力和排氣性能。實驗證明:采用本文所設(shè)計的模芯壓縮機構(gòu)后，不僅提高了光學透鏡的面形精度，減小了透鏡的內(nèi)應力，而且排氣的效率得到較大的改善，從而降低了雙折射，消除制品飛邊、燒傷和填充不足等不良現(xiàn)象，提高了透鏡的成品率和成像質(zhì)量。本文希望通過該模芯壓縮機構(gòu)的研發(fā)對國內(nèi)高精度的塑料光學透鏡的生產(chǎn)技術(shù)有所推動。

1 費春紅，張長春，李達等.塑料光學制件精密成型技術(shù)的現(xiàn)狀［J］.橡塑技術(shù)與裝備，2004，30(11):11 ～16

2 鄭清娟.基于注塑制品收縮率預測的模具型腔尺寸生成方法研究［D］:［學位論文］.大連:大連理工大學，2003.

3 張雪玲.成型工藝對注塑件品質(zhì)的影響［D］:［學位論文］.鄭州:鄭州大學，2006.

4 王利霞，王蓓，申長雨.工藝參數(shù)對注塑制品質(zhì)量的影響研究［J］.鄭州工業(yè)大學學報(工學版)，2003，24(3):62～66